网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异

对于即时通讯开者新手来说，在开始着手编写IM或消息推送系统的代码前，最头疼的问题莫过于到底该选TCP还是UDP作为传输层协议。本文延续《网络编程懒人入门》系列文章的风格，通过快速对比分析 TCP 和 UDP 的区别，来帮助即时通讯初学者快速了解这些基础的知识点，从而在IM、消息推送等网络通信应用场景中能准确地选择合适的传输层协议。

即时通讯网的另一篇文章《简述传输层协议TCP和UDP的区别》也阐述了类似的内容，希望能为您提供更多的参考。

2、系列文章

本文是系列文章中的第4篇，本系列文章的大纲如下：

• 《网络编程懒人入门(一)：快速理解网络通信协议（上篇）》
• 《网络编程懒人入门(二)：快速理解网络通信协议（下篇）》
• 《网络编程懒人入门(三)：快速理解TCP协议一篇就够》
• 《网络编程懒人入门(四)：快速理解TCP和UDP的差异》（本文）
• 《网络编程懒人入门(五)：快速理解为什么说UDP有时比TCP更有优势》
• 《网络编程懒人入门(六)：史上最通俗的集线器、交换机、路由器功能原理入门》
• 《网络编程懒人入门(七)：深入浅出，全面理解HTTP协议》
• 《网络编程懒人入门(八)：手把手教你写基于TCP的Socket长连接》

本站的《脑残式网络编程入门》也适合入门学习，本系列大纲如下：

• 《脑残式网络编程入门(一)：跟着动画来学TCP三次握手和四次挥手》
• 《脑残式网络编程入门(二)：我们在读写Socket时，究竟在读写什么？》
• 《脑残式网络编程入门(三)：HTTP协议必知必会的一些知识》
• 《脑残式网络编程入门(四)：快速理解HTTP/2的服务器推送(Server Push)》

如果您觉得本系列文章过于基础，您可直接阅读《不为人知的网络编程》系列文章，该系列目录如下：

• 《不为人知的网络编程(一)：浅析TCP协议中的疑难杂症(上篇)》
• 《不为人知的网络编程(二)：浅析TCP协议中的疑难杂症(下篇)》
• 《不为人知的网络编程(三)：关闭TCP连接时为什么会TIME_WAIT、CLOSE_WAIT》
• 《不为人知的网络编程(四)：深入研究分析TCP的异常关闭》
• 《不为人知的网络编程(五)：UDP的连接性和负载均衡》
• 《不为人知的网络编程(六)：深入地理解UDP协议并用好它》

关于移动端网络特性及优化手段的总结性文章请见：

• 《现代移动端网络短连接的优化手段总结：请求速度、弱网适应、安全保障》
• 《移动端IM开发者必读(一)：通俗易懂，理解移动网络的“弱”和“慢”》
• 《移动端IM开发者必读(二)：史上最全移动弱网络优化方法总结》

3、参考资料

《TCP/IP详解 – 第11章·UDP：用户数据报协议》
《TCP/IP详解 – 第17章·TCP：传输控制协议》
《TCP/IP详解 – 第18章·TCP连接的建立与终止》
《TCP/IP详解 – 第21章·TCP的超时与重传》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（上）：理论基础》
《通俗易懂-深入理解TCP协议（下）：RTT、滑动窗口、拥塞处理》
《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》
《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》
《技术往事：改变世界的TCP/IP协议（珍贵多图、手机慎点）》
《计算机网络通讯协议关系图（中文珍藏版）》
《高性能网络编程(一)：单台服务器并发TCP连接数到底可以有多少》
《高性能网络编程(二)：上一个10年，著名的C10K并发连接问题》
《高性能网络编程(三)：下一个10年，是时候考虑C10M并发问题了》
《高性能网络编程(四)：从C10K到C10M高性能网络应用的理论探索》
《简述传输层协议TCP和UDP的区别》
《UDP中一个包的大小最大能多大？》
《为什么QQ用的是UDP协议而不是TCP协议？》
《移动端即时通讯协议选择：UDP还是TCP？》

4、建立连接方式的差异

4.1TCP

说到 TCP 建立连接，相信大多数人脑海里肯定可以浮现出一个词，没错就是–“三次握手”。TCP 通过“三次握手”来建立连接，再通过“四次挥手”断开一个连接。在每次挥手中 TCP 做了哪些操作呢？

流程如下图所示（TCP的三次握手和四次挥手）：

上图就从客户端和服务端的角度，清楚的展示了 TCP 的三次握手和四次挥手。可以看到，当 TCP 试图建立连接时，三次握手指的是客户端主动触发了两次，服务端触发了一次。

我们可以先明确一下 TCP 建立连接并且初始化的目标是什么呢？

• 1）初始化资源；
• 2）告诉对方我的序列号。

所以三次握手的次序是这样子的：

• 1）client端首先发送一个SYN包告诉Server端我的初始序列号是X；
• 2）Server端收到SYN包后回复给client一个ACK确认包，告诉client说我收到了；
• 3）接着Server端也需要告诉client端自己的初始序列号，于是Server也发送一个SYN包告诉client我的初始序列号是Y；
• 4）Client收到后，回复Server一个ACK确认包说我知道了。

其中的 2 、3 步骤可以简化为一步，也就是说将 ACK 确认包和 SYN 序列化包一同发送给 Client 端。到此我们就比较简单的解释了 TCP 建立连接的“三次握手”。

4.2UDP

我们都知道 TCP 是面向连接的、可靠的、有序的传输层协议，而 UDP 是面向数据报的、不可靠的、无序的传输协议，所以 UDP 压根不会建立什么连接。

就好比发短信一样，UDP 只需要知道对方的 ip 地址，将数据报一份一份的发送过去就可以了，其他的作为发送方，都不需要关心。

（关于TCP的3次握手和4次挥手文章，可详见《理论经典：TCP协议的3次握手与4次挥手过程详解》、《理论联系实际：Wireshark抓包分析TCP 3次握手、4次挥手过程》）

5、数据发送方式的差异

关于 TCP、UDP 之间数据发送的差异，可以体现二者最大的不同之处：

• TCP：
  由于 TCP 是建立在两端连接之上的协议，所以理论上发送的数据流不存在大小的限制。但是由于缓冲区有大小限制，所以你如果用 TCP 发送一段很大的数据，可能会截断成好几段，接收方依次的接收。
• UDP：
  由于 UDP 本身发送的就是一份一份的数据报，所以自然而然的就有一个上限的大小。

那么每次 UDP 发送的数据报大小由哪些因素共同决定呢？

• UDP协议本身，UDP协议中有16位的UDP报文长度，那么UDP报文长度不能超过2^16=65536；
• 以太网(Ethernet)数据帧的长度，数据链路层的MTU(最大传输单元)；
• socket的UDP发送缓存区大小。

先来看第一个因素，UDP 本身协议的报文长度为 2^16 – 1，UDP 包头占 8 个字节，IP 协议本身封装后包头占 20 个字节，所以最终长度为： 2^16 – 1 – 20 – 8 = 65507 字节。

只看第一个因素有点理想化了，因为 UDP 属于不可靠协议，我们应该尽量避免在传输过程中，数据包被分割。所以这里有一个非常重要的概念 MTU — 也就是最大传输单元。

在 Internet 下 MTU 的值为 576 字节，所以在 internet 下使用 UDP 协议，每个数据报最大的字节数为： 576 – 20 – 8 = 548

（有关UDP协议的最大包长限制，详见《UDP中一个包的大小最大能多大？》）

6、数据有序性的差异

我们再来谈谈数据的有序性。

6.1TCP

对于 TCP 来说，本身 TCP 有着超时重传、错误重传、还有等等一系列复杂的算法保证了 TCP 的数据是有序的，假设你发送了数据 1、2、3，则只要发送端和接收端保持连接时，接收端收到的数据始终都是 1、2、3。

6.2UDP

而 UDP 协议则要奔放的多，无论 server 端无论缓冲池的大小有多大，接收 client 端发来的消息总是一个一个的接收。并且由于 UDP 本身的不可靠性以及无序性，如果 client 发送了 1、2、3 这三个数据报过来，server 端接收到的可能是任意顺序、任意个数三个数据报的排列组合。

7、可靠性的差异

其实大家都知道 TCP 本身是可靠的协议，而 UDP 是不可靠的协议。

7.1TCP

TCP 内部的很多算法机制让他保持连接的过程中是很可靠的。比如：TCP 的超时重传、错误重传、TCP 的流量控制、阻塞控制、慢热启动算法、拥塞避免算法、快速恢复算法 等等。所以 TCP 是一个内部原理复杂，但是使用起来比较简单的这么一个协议。

7.2UDP

UDP 是一个面向非连接的协议，UDP 发送的每个数据报带有自己的 IP 地址和接收方的 IP 地址，它本身对这个数据报是否出错，是否到达不关心，只要发出去了就好了。

所以来研究下，什么情况会导致 UDP 丢包：

• 数据报分片重组丢失：在文章之前我们就说过，UDP 的每个数据报大小多少最合适，事实上 UDP 协议本身规定的大小是 64kb，但是在数据链路层有 MTU 的限制，大小大概在 5kb，所以当你发送一个很大的 UDP 包的时候，这个包会在 IP 层进行分片，然后重组。这个过程就有可能导致分片的包丢失。UDP 本身有 CRC 检测机制，会抛弃掉丢失的 UDP 包；
• UDP 缓冲区填满：当 UDP 的缓冲区已经被填满的时候，接收方还没有处理这部分的 UDP 数据报，这个时候再过来的数据报就没有地方可以存了，自然就都被丢弃了。

8、使用场景总结

在文章最后的一部分，聊聊 TCP、UDP 使用场景。

先来说 UDP 的吧，有很多人都会觉得 UDP 与 TCP 相比，在性能速度上是占优势的。因为 UDP 并不用保持一个持续的连接，也不需要对收发包进行确认。但事实上经过这么多年的发展 TCP 已经拥有足够多的算法和优化，在网络状态不错的情况下，TCP 的整体性能是优于 UDP 的。

那在什么时候我们非用 UDP 不可呢？

• 对实时性要求高：比如实时会议，实时视频这种情况下，如果使用 TCP，当网络不好发生重传时，画面肯定会有延时，甚至越堆越多。如果使用 UDP 的话，即使偶尔丢了几个包，但是也不会影响什么，这种情况下使用 UDP 比较好；
• 多点通信：TCP 需要保持一个长连接，那么在涉及多点通讯的时候，肯定需要和多个通信节点建立其双向连接，然后有时在NAT环境下，两个通信节点建立其直接的 TCP 连接不是一个容易的事情，而 UDP 可以无需保持连接，直接发就可以了，所以成本会很低，而且穿透性好。这种情况下使用 UDP 也是没错的。

以上我们说了 UDP 的使用场景，在此之外的其他情况，使用 TCP 准没错。

毕竟有一句话嘛：

when in doubt，use TCP。

附录：更多网络编程资料

《Java新一代网络编程模型AIO原理及Linux系统AIO介绍》
《NIO框架入门(一)：服务端基于Netty4的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(二)：服务端基于MINA2的UDP双向通信Demo演示》
《NIO框架入门(三)：iOS与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《NIO框架入门(四)：Android与MINA2、Netty4的跨平台UDP双向通信实战》
《P2P技术详解(一)：NAT详解——详细原理、P2P简介》
《P2P技术详解(二)：P2P中的NAT穿越(打洞)方案详解》
《P2P技术详解(三)：P2P技术之STUN、TURN、ICE详解》
《通俗易懂：快速理解P2P技术中的NAT穿透原理》